智能電網建設中信息和通信技術的應用

吳 超 張林俊 唐 飛

（重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400000）

引言

隨著國民經濟的快速發展，智能電網成為世界電網發展的新趨勢，國內外均給予極大關注。國家電網公司提出以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，利用先進的通信、信息和控制技術，構建以信息化、自動化、數字化、互動化為特征的國際領先、自主創新、中國特色的堅強的智能化電網。智能電網的關鍵技術涉及諸多領域，本文對智能電網信息和通信的若干研究重點進行了討論，具體包括層次模型、信息網絡、信息和通信系統的安全防護幾個基本方面。

l層次模型

智能電網信息流的層次模型包括4個層次，即電網設備層、通信網架層、數據存儲管理層、數據應用層。各個層次組成的信息支撐體系是堅強智能電網信息運轉的有效載體，是堅強智能電網堅實的信息傳輸基礎。信息支撐體系通過對電網基礎信息分層分級的集成與整合，達到信息的縱向貫通和橫向集成，為堅強智能電網提供可靠信息支撐。信息流的層次模型如圖1所示。

圖1 信息流的層次模式

電網設備層包括電網的各類需要信息傳輸和交換的元件和設備。

通信網架層利用通信網絡將電網設備層的各類型設備連接成一個整體，其中網絡方式較傳統的其他方式具有連接簡單、易維護等特點，在有線網絡不易部署的地方可以采用無線方式或公開網方式，輔予合適的網絡安全策略。

數據存儲管理層提供數據的存儲以及跨分區、跨系統的整合、集成、訪問功能。智能電網的信息量將遠大于現有電網，數據的有效存儲是需要深入研究的一個問題。同時在已有信息化的基礎上。完善異構系統之間的信息集成。信息的訪問可以采用事件驅動或者小心總線的模式，避免數據的大量檢索。

基于上述基礎數據應用層實現智能電網的高級分析、控制等功能。

標準體系貫穿信息流層次模式的各層級，保障設備的即插即用、信息的有效交換和傳輸內容的無二義理解，降低信息交換成本。

2 信息網絡

我國已建成先進可靠的電力通信網絡，形成了以光纖通信為主，微波、載波、衛星等多種通信方式并存，分層分級自愈環網為主要特征的電力專用通信網絡體系架構。在配電、用電領域，擁有電力負荷控制專用無線電頻率(230MHz)。開發了電力線通信(PLC)技術，應用于自動抄表、配網管理、用戶雙向通信等方面。目前，國家電網公司所轄全部網省公司SGl86一體化平臺一期工程已經全部完成，公司總部與網省公司實現了二級級聯，總部、網省公司、地市(縣)公司的三級貫通已經全面展開。

但目前存在的主要問題包括：骨干網架仍不夠堅強，難以完全滿足調度數據網絡第二平面建設的新要求：各級通信網絡的資源整合和充分利用有待進一步加強：總體上呈“骨干網強、接入網弱”、“高(電壓)端強，低端弱”的態勢，配電、用電環節的通信水平相對輸電網而言差距較大。網絡的特點可以解決上述不足。

網絡具有可靠性高、控制靈活、易于維護、擴展方便等眾多適合智能電網控制的優點。可顯著簡化控制設備的連接方式，實現各種異構控制設備的網絡集成和信息共享。然而電力系統是分布式、實時系統。各種控制設備的信息差異很大，通過網絡傳輸控制信息將存在時延不確定、路徑不確定、數據包丟失、信息因果性喪失等問題。可從電力系統信息的傳輸特性，網絡對電網控制性能的影響、電網的通信系統體系結構的影響等方面入手，研究信息網絡在智能電網應用的關鍵問題。如某項目側重從電網公司角度對電網通信系統的體系結構進行研究。提出了電網分層次的通信體系結構，該結構分為廠站層、區域層和系統層3層。

2002年后對電力系統信息的傳輸特性和網絡延時對電網控制性能影響的研究成果開始引起關注。介紹了控制網絡的典型結構，并對網絡化的時延模型、線性控制系統的時延補償方法進行了闡述。主要方法包括改進協議、進行反饋補償等，提高基于網絡控制的實時性。

新技術在電網信息網絡中應用，學科交叉歷來是研究重點。研究了密集波分復用技術DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)、下一代同步數字體系NGSDH(Next Generation Synchronous Digital Hierarchy)、自動交換光網絡ASON(Automatically Switched Optical Network)在電網信息通信網絡中的應用，介紹了基于上述技術的電網通信網絡架構。介紹了基于移動智能體MA(Mobile A－gent)的多級電力控制中心互聯通信平臺設計。該平臺采用TASE.2協議，基于智能體的網絡控制和診斷滿足了對多級電力控制中心的互聯需求。

電力系統的控制信息調度采用網絡傳輸方式，屬于動態調度。動態調度區別于靜態調度，沒有明確的任務周期。指出采用時延控制策略對同時到達交換機的電力系統保護信息流進行控制時無法確保端到端的響應時間要求，因此有必要研究新的信息流控制機制，確保基于信息網絡的電力系統控制任務的時間約束關系.提高電網信息調度的可控制性。基于網絡的電力系統應用包括繼電保護、同步相量測量等，提出一種基于數據網的新型廣域后備保護系統的硬、軟件設計方案，并給出了該方案的意義、原理及保護算法，提出利用從相量測量裝置獲得的電壓和電流相量，并基于靜態等值的思想，通過相對電距離指標對各負荷節點的靜態電壓穩定性進行排序，從而可對關鍵節點進行監測和控制。

3 安全防護

智能電網較傳統電網將更多依賴信息交換，電網跨地域廣闊，設備元件眾多，任意節點都可能引發信息安全問題，導致電網發生故障，因此智能電網信息安全防護內涵很廣，影響重大。

長期以來，電網的安全偏重于電網的物理安全，例如電網穩定、設備的電氣安全，對信息安全不夠重視。指出，五年內對某變電站信息安全進行二次評估，第1次信息安全評估發現的如系統弱口令、默認密碼未刪除等問題，五年后并未得到實質性改進，此外還發現了新的安全隱患，包括無線網絡安全、與因特網的強連接、數據傳輸經過商用通信網等。因此，智能電網信息系統的安全防護應該是一個系統化的體系，該體系的主要內容包括4點。

3.1 脆弱性和風險評估

對信息系統的脆弱性和風險定期進行評估，指定包括改進措施的一系列指導原則。調查指出雖然工作站、服務器、路由器都提供了安全機制，但是用戶并未認證對安全進行有效配置，甚至配備有IT維護團隊的頂級大公司也存在這個問題。據統計約有超過90%的信息系統入侵是通過已知的系統漏洞和操作系統、服務器、網絡設備錯誤配置實現的。

3.2 對威脅的應對能力

對電網安全構成威脅的行為，如信息系統攻擊發生時，相應的應對和報警機制隨之啟動。在極端情況下，電網信息系統遭受大規模攻擊。導致電網發生故障時，電網公司與其他機構。包括政府機構的聯動響應。

圖2 電網與信息系統的相互關系

3.3 重要系統的可靠性

2002年5月中華人民共和國國家經貿委30號令《電網和電廠計算機監控系統及調度數據網絡安全防護的規定》指出重要系統包括電力數據采集與監控系統、能量管理系統、變電站自動化系統、換流站計算機監控系統、發電廠計算機監控系統、配電自動化系統、微機繼電保護和安全自動裝置、廣域相量測量系統、負荷控制系統、水調自動化系統和水電梯級調度自動化系統、電能量計量計費系統、實時電力市場的輔助控制系統、各級電力調度專用廣域數據網絡、用于遠程維護及電能量計費等的調度專用撥號網絡、各計算機監控系統內部的本地局域網絡等。必須防范對上述電網計算機監控系統及調度數據網絡的攻擊侵害及由此引起的電力系統事故。抵御病毒、黑客等通過各種形式對系統發起的惡意破壞和攻擊，防止通過外部邊界發起的攻擊和侵入，尤其是防止由攻擊導致的一次系統的控制事故。

3.4 敏感信息的安全

對敏感信息從內部和外部都杜絕被竊取，如電網的發電、輸電、配電等環節的重要數據。防止未授權用戶訪問系統或非法獲取電網運行和調度敏感信息以及各種破壞性行為，保障電網調度數據信息的安全性、完整性。重點關注電力市場系統、電網調度信息披露的數據安全問題，防止非法訪問和盜用。主要通過具有認證、加密功能的安全網關來實現：確保信息不受破壞和丟失。則通過系統冗余備份來實現。

關于信息系統的安全防護，需要特別關注的是無線網絡的安全防護問題。無線網絡具有接人靈活、方便的特點，在配網和用電側具有廣泛應用的可能。如IEEE802.11b標準用途相當廣泛。已經成為用于共享無線局域網(WLAN)技術的行業標準。指出802.1lb的身份驗證比較脆弱，黑客只需要一臺普通的無線局域網適配器就能夠達到利用這個缺陷的目的。只要對適配器的編碼加以修改，就可以干擾無線局域網數據的傳輸。用這臺適配器，可以徹底破壞其通信范圍內的任何使用802.1lb技術的無線局域網。所需時間不過5～8s。因此在電網使用無線通信時必須對其安全機制進行改進.否則將帶來安全隱患。

4 智能電網信息及通信體系架構

電力系統本質上是能量的傳遞過程，該過程由發電、輸電、配電及用電4個環節組成。調度數據專網等電力專用通信網絡已經覆蓋了發電、輸電、配電等環節，用戶側利用載波方式進行小數據量傳輸(如抄表)已得到廣泛使用。EMS、WAMS、TMR、水調自動化、DMS等信息系統為電力系統的正常運行提供了可靠的技術保障，如圖2所示。

圖3 智能電網信息及通信體系架構

智能電網的特征之一是與用戶良好的交互，自動抄表(AMR)或者自動測量(AMI)等智能表計及用戶側信息網關成為智能電網的重要領域之一。目前大多數AMR及AMI的解決方案中采用GPRS、RF等無線技術作為通信手段。本文第4部分安全防護部分指出802.1lb的身份驗證比較脆弱，黑客只需一臺普通的無線局域網適配器就能達到利用這個缺陷的目的。從安全角度考慮采用無線技術欠妥當，本文建議在電力線上采用OFDM(OrthogonalFrequencvDivision Multiplexing)，即正交頻分復用技術，可實現高可靠性、最大傳輸速率為14 Mbit／s的數據傳輸，同時避免無線技術的安全性問題。

從發電、輸電、配電的通信方式發展看，信息網絡傳輸的是保護、控制、測量數據等綜合信息，智能電網的電力通信網絡將發展綜合信息網絡。

從信息利用角度看，智能電網的監控從傳統電網的基于局部信息向基于全局信息轉變，分散在各類信息系統的數據等將通過綜合數據平臺的方式進行集成，方便不同業務關注人員對各類數據進行應用，實現智能電網的高級分析應用功能。因此本文提出的智能電網的信息及通信體系的架構如圖3所示。

5 結語

隨著我國電力經濟的發展壯大，電力通信網絡已成為世界上最大的電力專用通信網絡。信息和通信技術是智能電網的核心技術之一，是實現智能電網的基礎。但是在體系架構、新技術等研究領域與國際水平還存在一定差距。我國的電力信息與通信網絡建設必須適應和滿足我國的智能電網的建設和要求。因此，必須自主創新研究適應我國電網需求的智能電網信息及通信網絡體系以及智能電網信息傳輸標準協議體系等課題。

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